Что содержит в себе сердечник оптического кабеля

Как устроен оптоволоконный кабель

Мы не будем останавливаться на подробной структуре всех видов кабеля. Возьмем некий усредненный типовой ОК:

Что же представляет каждый слой при подробном рассмотрении?

Центральный (осевой) элемент

Стеклопластиковый прут в полимерной оболочке или без нее. Основное назначение – придает жесткость кабелю. Стеклопластиковые стержни без оболочки плохи тем, что легко ломаются при изгибе и повреждают расположенное вокруг них оптоволокно.

Оптическое волокно

Нити оптического волокна чаще всего имеют толщину в 125 микрон (примерно с волос). Они состоят из сердечника (по которому, собственно, идет передача сигнала) и стеклянной же оболочки немного другого состава, обеспечивающей полное преломление в сердечнике.

Количество волокон в кабеле варьируется от 2 до 144, это также фиксируется цифрой в маркировке.

В зависимости от толщины сердечника оптоволокно подразделяется на одномодовое (тонкий сердечник) и многомодовое (большего диаметра). В последнее время многомод применяется все реже, поэтому останавливаться на нем не будем. Отметим только, что предусмотрен он для использования на небольшие расстояния. Оболочку многомодового кабеля и патчкордов обычно делают оранжевого цвета (одномодовый – желтый).

В свою очередь одномодовое оптическое волокно бывает:

В общих чертах – оптоволоконный кабель со смещенной дисперсией (в т.ч. с ненулевой) применяется на гораздо большие расстояния, чем обычный.

Поверх оболочки стеклянные нити покрыты лаком, и этот микроскопический слой тоже играет важную роль. Оптоволокно без лакового покрытия повреждается, крошится и ломается при малейшем воздействии. В то время как в лаковой изоляции его можно скручивать и подвергать некоторой нагрузке. На практике оптоволоконные нити неделями выдерживают вес кабеля на опорах, если в процессе эксплуатации рвутся все остальные силовые стержни.

Однако не стоит возлагать на прочность волокон слишком большие надежды – даже покрытые лаком они легко ломаются. Поэтому при монтаже оптических сетей, особенно при ремонте действующих магистралей, требуется предельная аккуратность.

Пластиковые модули для оптических волокон

Это пластиковые оболочки, внутри которых – пучок оптоволоконных нитей и гидрофобная смазка. В кабеле может быть либо одна такая туба с оптоволокном, либо несколько (последнее – чаще, особенно если волокон много). Модули выполняют функцию защиты волокон от механических повреждений и попутно – их объединения и маркировки (если модулей в кабеле несколько). Однако нужно помнить, что пластиковый модуль при изгибе довольно просто переламывается, и ломает находящиеся в нем волокна.

Пленка и полиэтиленовая оболочка

Это элементы дополнительной защиты волокон и модулей от трения, а также влаги – в некоторых видах оптического кабеля под пленкой содержится гидрофоб. Пленка сверху может быть дополнительно армирована переплетением нитей и пропитана гидрофобным гелем.

Пластиковая оболочка выполняет те же функции, что и пленка, плюс служит прослойкой между броней и модулями. Есть модификации кабеля, где ее вообще нет.

Броня

Это может быть либо кевларовая броня (сплетенные нити), либо кольцо стальных проволок, либо лист гофрированной стали:

При разделке кевлар рекомендуется не резать, а откусывать, т.к. режущий инструмент практически моментально тупится.

Внешняя полиэтиленовая оболочка

Первый и практически самый важный уровень защиты. Плотный полиэтилен призван выдерживать все нагрузки, выпадающие на долю кабеля, поэтому если он повреждается, существенно увеличивается риск порчи кабеля. Нужно следить, чтобы оболочка:

a) Не была повреждена при монтаже – иначе попавшая внутрь влага увеличит потери на линии;

b) Не касалась в процессе эксплуатации о дерево, стену, угол или ребро конструкции и т.д., если есть риск возникновения трения в этом месте при ветровых и иных нагрузках.

Источник

Основные конструктивные элементы оптического кабеля

В оптических кабелях, представляющих собой сложную оптико-физическую систему в качестве направляющей среды передачи применяется кварцевое оптическое волокно (OB). Специфичность оптического волокна заключается не только в особенностях распространения по нему информационных сигналов, но и в конструкции самого ОВ, критичности ОВ к механическим нагрузкам (усилиям растяжения и сдавливания, изгибам, кручению и ударам), чувствительности ОВ к таким факторам, как перепады температур, химическое воздействие, влияние влаги и водорода. Параметры эластичности и механизмы отказа у ОВ другие, чем у медных жил электрических кабелей. По существу, совокупность внешних воздействующих механических, климатических и электромагнитных факторы и определяют особен­ности конструкций ОК различного назначения и использование в них конструктивных эле­ментов, обеспечивающих прокладку и эксплуатацию ОК в заданных интервалах воздейст­вия внешних факторов.

Основные конструктивные элементы ОК 15:

Отдельные элементы могут отсутствовать исходя из назначения и условий применения ОК.

Оптическое волокно (ОВ) — это основной конструктивный элемент ОК, выполняющий роль направляющей среды передачи.

Оптический модуль (ОМ) — самостоятельный конструктивный элемент оптической кабеля, содержащий одно и более ОВ, выполняет функции защитного элемента, уменьшает опасность обрыва ОВ и обеспечивает стабильность его работы при воздействии продольных и поперечных сил.

ОМ могут быть следующих типов:

В трубчатом ОМ оптические волокна могут свободно укладываться без скрутки (рис. 2.4, а), либо путём скрутки вокруг центрального силового элемента (рис. 2.4, б), либо размещаться в плотном буферном покрытии (рис. 2.4, в).

Плотный буферный слой увеличивает сопротивляемость ОВ к сжатию и изгибам.

В профилированном ОМ в спиралеобразных пазах V-образного типа, образуемых в полимерном стержне, ОВ (одно или несколько) свободно укладываются по спирали. Силовой элемент в центре профилированного стержня обеспечивает необходимые механические параметры и стойкость к температурным изменениям (рис. 2.4, г).

Рис. 2.4. Примеры конструкций оптических модулей:

1- трубка, 2 — воздух или гидрофобный компаунд, 3 — ОВ в защитном покры­тии; 4 — ЦСЭ, 5 — лента, 6 — стержень профилированного типа со спиралеоб­разными V-образными пазами; 7 — плотный буферный слой

В ленточном оптическом модуле оптические волокна от двух и более размещаются линейный ряд, образуя линейный элемент (см. рис. 2.5. в). Фиксация ОВ в линейном элементе может осуществляться с помощью полимерного материала по длине элемента, выполняющего функцию вторичного защитного покрытия, или адгезивного слоя и наложенных поверх синтетических лент.

Оптический сердечник повышает механическую прочность ОК, защищает ОВ от изги­бов и от нагрузок на растяжение и сдавливание, в пределах, не оказывающих влияния на пе­редаточные параметры. Центральный силовой элемент выполняет функцию защиты от механических нагрузок.

Оптические сердечники могут содержать дополнительные элементы: элементы заполне­ния, не содержащие ОВ (кордели), медные жилы, пары или четверки из медных жил. Обыч­но повив оптического сердечника из элементов скрепляется нитями или скрепляющей лен­той. Конструкция оптического сердечника (ёмкость, тип ОМ и его место в сердечнике, мед­ные жилы, пары и четверки из медных жил, элементы заполнения) определяется функцио­нальным назначением и условиями применения ОК.

Примеры конструкций оптических сердечников ОК, образованных из ОМ различного типа, для подвески или прокладки в грунте и внутри зданий приведены на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Примеры конструкций оптических сердечников подземных и подвесных ОК из ОМ различного типа

а) трубчатый, б) профилированный, в) ленточный.

В качестве материалов для силовых элементов могут применяться стальная, медная и алюминиевая проволоки, а также арамидные нити и стеклопластиковые стержни.

Броня повышает механические свойства и улучшает защитные функции ОК. Наиболее часто она выполняется из круглых оцинкованных проволок или из проволок нержавеющей стали в виде одного или нескольких повивов. Например, в ОК для прокладки через судоходные ре­ки, как правило, используется броня из двух повивов, то же для шельфовых и прибрежных морских ОК, но только из проволок большого диаметра с более высокой прочностью. При­меняется также броня из продольно наложенной стальной гофрированной ленты (для защи­ты от грызунов). В диэлектрических ОК броня может быть выполнена из арамидных нитей, стеклопластиковых стержней и др.

Источник

Основные элементы волоконно-оптического кабеля

Для любого кабеля важными характеристиками являются предел его прочности на разрыв, устойчивость к сжимающим и изгибающим усилиям, гибкость, защищенность от внешних воздействий, диапазон рабочих температур, срок службы и т.д. Величина этих характеристик зависит от конкретного применения кабеля. Так, ОК для наружного применения находится в экстремальных условиях. Он противостоит изменяющимся температурным условиям, налипанию льда, сильному ветру и грызунам, повреждающим его при подземной прокладке. Очевидно, что он должен быть прочнее кабеля, соединяющего оборудование внутри здания и работающего в контролируемых условиях. Кабель, прокладываемый под ковром в офисе, по которому ходят люди, двигают кресла, должен выдерживать дополнительную нагрузку по сравнению с кабелем внутри стен того же офиса.

Остановимся на основных элементах волоконно-оптического кабеля. На рис. 3.18 предоставлены основные компоненты простого оптического кабеля с одним волокном. Конструкция кабеля может быть достаточно разнообразной, но общими являются следующие компоненты:

• буферная оболочка (ПЗО);

Конструкция сердечника оптического кабеля. Как правило, сердечник оптического кабеля образуется из одного или нескольких элементов, в состав которых входят оптические волокна. Чтобы определить конструкцию сердечника кабеля или выбрать конструкцию элемента с оптическими волокнами, необходимо учитывать требования прокладки кабеля и монтажа волокон. Требуемое количество волокон в рассматриваемом кабеле и его применение определяют выбор типа конструкции элемента с оптическими волокнами.

Конструкция волоконно-оптических кабелей подразделяется на:

• кабели с одним элементом, в состав которых входит только один элемент с оптическими волокнами;

• кабели с несколькими элементами, в состав которых входит несколько элементов с оптическими волокнами.

Конструкция сердечника в кабелях с одним элементом соответствует элементам из оптических волокон, рассматриваемых на рис. 3.19.

Кабели с несколькими элементами конструируются посредством наматывания на центральный силовой элемент (СЭ) нескольких элементов с оптическими волокнами или свободного размещения нескольких объединенных элементов с оптическими волокнами в одной трубке, которая имеет оболочку с силовыми элементами. Если центральный силовой элемент в ОК не обеспечивает достаточной прочности конструкции, то поверх сердечника кабеля могут быть наложены дополнительные силовые элементы. При наличии в ОК двух слоев наружного СЭ, каждый из них накладывается в своем направлении, что препятствует возникновению крутящего момента при прокладке кабеля.

Примеры конструкций кабеля с несколькими элементами с оптическими волокнами представлены на рис. 3.20.

Силовые элементы волоконно-оптического кабеля. Для выбора силовых элементов, в первую очередь, следует определить необходимую нагрузку на растяжение, учитывая вес кабеля, его конструкцию, диапазон температур окружающей среды и условия прокладки кабеля (прокладывается ли кабель в кабельной канализации, непосредственно в грунте, подвергается ли он изгибаниям и т. п.). Силовые элементы должны обеспечивать достаточную прочность кабеля, чтобы деформация волокон не превышала допустимого предела с учетом динамической деформации, вносимой в процессе работы с кабелем. При максимальной нагрузке силовые элементы должны оставаться эластичными, позволяя при уменьшении растяжения кабеля сохранить длительную остаточную деформацию ниже допустимой [15].

Выбор силовых (армирующих) элементов и их расположение является важной проблемой, во многом определяющей надежность оптических кабелей.

В обычных кабелях медные проводники являются одновременно и силовыми элементами, способными сохранять работоспособность при относительном удлинении в продольном направлении до 10 %. В ОК эту функцию должен выполнять армирующий элемент или группа армирующих элементов. Как правило, относительное удлинение оптических волокон в ОК составляет около 0,5 %, поэтому они могут быть разрушены уже при незначительных удлинениях кабеля. Остаточное рабочее механическое напряжение в кабеле должно быть значительно ниже напряжений, вызывающих разрушение ОВ..В некоторых конструкциях роль армирующих элементов в кабеле играют гладкие или гофрированные традиционные оболочки из алюминия или стали.

В процессе конструирования ОК необходимо учитывать взаимное расположение упрочняющих элементов и ОВ. Существует два основных варианта такого взаимного расположения. В первом из них упрочняющий элемент располагают в центре ОК, а волокна — концентрически относительно центрального элемента. Во втором ОВ располагают в центре, а вокруг них — силовые элементы. При центральном расположении армирующих элементов гибкость кабеля в большей степени зависит от качества ОВ, его стойкости к изгибающим нагрузкам, однако конструкция эффективнее противостоит растягивающим нагрузкам. При концентрическом (внешнем) расположении армирующих элементов жесткость конструкции увеличивается, но возрастает стойкость кабеля к раздавливающим нагрузкам, обеспечивается лучшая защита от сил трения и срезающих сил (поперечный сдвиг).

Армирующие элементы могут влиять и на процесс изготовления кабеля. Стальные упрочняющие элементы эффективно предотвращают продольное сжатие волокна полимером при его охлаждении после нанесения оболочки методом экструзии. В то же время нить из графита или высокопрочной синтетической нити не способна предотвратить продольное сжатие волокна, поскольку сама изгибается под сжимающей нагрузкой, возникающей при охлаждении полимера. Это приводит к возникновению дополнительных потерь на микроизгибах в процессе изготовления ОК или во время эксплуатации при пониженных температурах. Изгиб упрочняющих элементов кабеля уменьшает его жесткость при растяжении.

Некоторые требования к прокладке ОК могут определять, где именно должны размещаться силовые элементы внутри кабеля, например: подготовка кабеля и сращивание волокон; сращивание оболочки; устройства для протяжки кабеля; геометрические размеры кабеля.

До тех пор, пока деформация волокна удерживается в допустимых пределах, можно применять силовые элементы любых типов. Поскольку жесткость сплошного провода пропорциональна величине его диаметра в четвертой степени, то при больших диаметрах необходимо использовать скрученные провода, или неметаллические силовые элементы.

Металлический силовой элемент может располагаться в центре сердечника или на периферии ОК. В качестве центрального силового элемента (ЦСЭ) может использоваться стальной провод или трос диаметром от 2 до 3,5 мм. На периферии кабеля металлический силовой элемент располагается в виде проволок, вмонтированных в оболочку. Металлический силовой элемент может располагаться и вне кабеля. Силовой элемент и кабель могут соединяться в процессе наложения оболочки и образовывать конструкцию в виде восьмерки.

В качестве ЦСЭ кабеля используется также стеклопластиковый прут. В будущем различные виды сложных материалов, например арамидные волокна, усиленные пластиком, будут вероятно шире использоваться, как альтернатива стальному проводу.

В кабелях, которые используются в условиях, требующих большую гибкость и прочность, обычно применяются арамидные нити в качестве силового элемента. Арамидные нити располагаются параллельно одному или нескольким волокнам в плотной укладке, образуя простой, но прочный силовой элемент. Арамидные нити имеют исключительно высокую прочность и гибкость и таким образом создают превосходную защиту против продольных силовых напряжений. Арамидные нити используются также как силовой элемент в воздушных кабелях и кабелях для прокладки в трубах. Нити накладываются слоем вокруг сердечника кабеля или между внутренней оболочкой и внешним защитным шлангом.

В последнее время в некоторых конструкциях ОК стал применяться концентрически пустой силовой элемент. Для воздушных кабелей, используемых при подвеске на больших пролетах между опорами, были разработаны специальные виды силовых элементов. В полой трубке из стеклопластика с номинальным диаметром 10 мм размещаются от 1 до 6 волокон. Эта конструкция позволяет подвешивать кабель при расстоянии между опорами до 800 м без учета потенциальной нагрузки из-за образования льда и ветра. Использование стеклопластикового силового элемента дает относительно легкий, полностью диэлектрический кабель, подвешиваемый на высоковольтных линиях передачи без каких-либо дополнительных мер защиты. Этот вид силового элемента обеспечивает эффективную радиальную защиту волокна.

Известны случаи использования для силовых элементов меди, армированной вольфрамом [13].

Оболочка, броня и защитный шланг оптического кабеля. Оболочка защищает сердечник кабеля от механических повреждений и повреждений, возникающих под воздействием окружающей среды. Поэтому при конструировании кабеля тип оболочки выбирается исходя из учета: образования водорода; климатических факторов; герметичности; влагостойкости; механической прочности (изгиб, кручение, радиальное усилие, растяжение, истирание и т.п.); химической устойчивости; диаметра; веса; пожароустойчивости; защиты от грызунов.

В конструкциях ОК, применяемых для внешней и внутренней прокладок, было использовано большое количество разных типов оболочки кабеля. Они подразделяются на оболочки: металлопластмассовые с металлическими лентами или металлическим слоем; пластмассе; пластмассовые с силовыми элементами; пластмассовые с впрессоваными силовыми элементами, комбинированные, со стальной гофрированной лентой; бронированные.

Типы оболочек, используемых в ОК для различных условий прокладки [15], представлены в табл. 3.7.

Таблица 3.7. Типы оболочек ОК для различных условий прокладки

Источник

Волоконно-оптический кабель: назначение, конструкция, классификация

В современных сетях для передачи данных все чаще используется волоконно-оптический кабель взамен стандартных электрических моделей, в которых проводящим материалом выступали медные и алюминиевые жилы. Такая популярность обусловлена рядом причин, среди которых куда более низкая себестоимость силикатных материалов, необходимых для изготовления оптического волокна и куда лучшие параметры работы оптоволоконных систем. Поэтому кабельная продукция на основе оптического волокна постепенно вытесняет привычнее нам кабельные линии.

Назначение

Волоконно-оптический кабель (также известен как оптоволоконный) предназначен для передачи сигналов связи посредством светового потока. Основным его отличием от классических систем, в которых данные передавались посредством электрических сигналов различной величины, частоты и протяженности, является использование световых импульсов, которые генерируются в оптическом модуле и поступают к приемнику на другом конце волокна. Благодаря своей структуре оптический проводник обеспечивает проходимость световых импульсов без потерь, за исключением тех из них, где мощность потока значительно снижается за счет отражения и дисперсии.

Технические характеристики передачи предоставляют практически неограниченные возможности для подключения приемников или количества передаваемых сигналов.

По назначению волоконно-оптический кабель может применяться для:

Несмотря на многообразие вариантов установки, конкретная область применения оптоволоконного кабеля определяется его конструктивными особенностями.

Конструкция

Конструктивно волоконно-оптический кабель можно представить следующим образом.

Посмотрите на рисунок, конструкция волоконно-оптического кабеля включает в себя такие элементы:

Следует отметить, что рассмотренный вариант волоконно-оптического кабеля является частным случаем, кроме него вы можете встретить и другие модели, в которых могут отсутствовать некоторые из вышеприведенных элементов или изменяться их количество.

Классификация

Волоконно-оптический кабель, в зависимости от выбранного критерия будет подразделяться на разные категории. Так, по материалу изготовления выделяют два типа оптоволоконных изделий:

В зависимости от способа прокладки волоконно-оптической линии все марки подразделяются на те, которые могут размещаться:

В зависимости от величины проводящего ядра в волоконно-оптическом канале по отношению к демпфирующему слою выделяют одномодовые и многомодовые кабели. Они отличаются по количеству проводимых сигналов (мод), от чего и происходит их название.

Рис. 3: одномодовый и многомодовый кабель в сечении

Одномодовый кабель характеризуется относительно небольшим диаметром проводящего сердечника – 9мкм. Такой размер пропускает только один сигнал по каналу. Несмотря на то, что одномодовая конструкция отличается небольшой пропускной способностью, сигнал в ней не искажается и не затухает на всей протяженности линии.

Рис. 4: движение сигнала в одномодовом волокне

Многомодовый кабель, в отличии от одномодового характеризуется куда более широким диаметром проводящего ядра — 50 или 62,5 мкм. За счет увеличения ширины канала возникает возможность отражения сразу нескольких волн в ядре с определенным шагом (дисперсией). Поэтому по нему одновременно можно перемещать сразу несколько сигналов.

Рис. 5: движение сигнала в многомодовом волокне

Недостатком многомодового волокна является искажение и затухание сигнала, но вместе с тем многомодовый и более дешевый вариант, в сравнении с одномодовым, так как он работает на обычных светодиодах, а не на лазере. В зависимости от конкретных параметров, размеров и внешнего диаметра многомодовые кабели подразделяются на четыре класса и имеют различное применение.

Таблица: применение многомодовых кабелей различных классов

Технические характеристики

При монтаже и во время эксплуатации важно учитывать основные параметры кабельно-проводниковой продукции, которые определяют номинальные условия для нормальной работы системы. Волоконно-оптические кабели обладают такими характеристиками:

Плюсы и минусы

Волоконно-оптические линии, в сравнении с теми же медными кабелями обладают рядом весомых преимуществ:

Но, наряду с вышеперечисленными преимуществами оптоволокно обладает и некоторыми минусами. К недостаткам волоконно-оптических линий относят:

Источник